CN102947575A

CN102947575A - 外燃式闭式循环热机

Info

Publication number: CN102947575A
Application number: CN2010800670111A
Authority: CN
Inventors: 海法俊光; 鹤野省三; 关根宗平; 楠健治郎
Original assignee: Yokohama Seiki Co Ltd
Current assignee: Yokohama Seiki Co Ltd
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: US20130174532A1; WO2011151888A1; CN102947575B; US8938942B2

Abstract

本发明提供一种外燃式闭式循环热机，具体为，设置密封的气室与加热器及冷却器，设置导通该气室与该加热器的入口侧及出口侧的流路，设置导通该气室与冷却器的入口侧及出口侧的流路，在各自的入口侧及出口侧的流路上设置开闭阀，设置使工作气体移动的单元，用该开闭阀进行该工作气体向加热器与冷却器的切换，通过驱动作用体，使加热器或者冷却器的容积与发动机的效率无关，并在各种条件下工作。

Description

外燃式闭式循环热机

技术领域

本发明涉及一种结构简单且容易操作、维护的外燃式闭式循环热机。

背景技术

斯特林发动机是外燃式热机，由于其不分热源的种类均可有效利用现在被浪废的能量，而且安静且低公害，因此被研究开发出各种类型，被看做是未来大有希望的热机的一种。

斯特林发动机通过对封入气室内的工作气体进行加热及冷却使该气体膨胀及收缩从而得到动力。

以往的置换器型斯特林发动机，通过置换器的往复动作使该气体在加热部及冷却部之间往复来加热及冷却该气体，使其膨胀及收缩，通过使动力活塞工作从而得到动力。置换器被构成为与动力活塞保持相位而联动。

以往的斯特林发动机根据活塞、气缸等的配置分为α型、β型、γ型3种。关于上述3种动作的详细内容记载于专利文献1中。

但是，在上述以往的斯特林发动机中，气室、加热器及冷却器内的工作气体被同时加压、减压。因此在加热时，为了将气室加压也必须对冷却器内的工作气体加压，而且在冷却时，为了将气室减压也必须对加热器内的工作气体减压。因此，加热器或者冷却器的容积比气室的容积大时则发动机的效率降低。因此，为了提高发动机的效率，必须使加热器及冷却器小型化。

但是，为了使发动机工作就需要吸收必要的热量并进行排出，加热器及冷却器必须具备足够的能力。为了使加热器小型化且具备足够的能力，虽然存在通过将壁厚变薄并且提高加热温度来增加单位面积传热量的方法，但是需要精密地制作，而且必须采用昂贵的耐热金属，另外还存在由于高温而促进加热器腐蚀的弊端。

另外，在冷却期间中，加热器不被使用，整个期间的加热器的效率降低，施加于加热器的外部热量被浪费掉造成使用效率降低。加热期间的冷却器也同样如此。

专利文献1：日本国特开2006-275018号公报

发明内容

鉴于上述以往的技术，本发明的课题是提供一种外燃式闭式循环热机，其加热器或者冷却器的容积与发动机的效率无关，并可以在各种条件下设计、制造。

本发明的发明者们为了解决上述课题反复进行了锐意研究，结果完成了具有以下结构的发明。

技术方案1的发明是一种外燃式闭式循环热机，其特征为，设置密封的气室与加热器及冷却器，设置导通该气室与该加热器的入口侧及出口侧的流路，设置导通该气室与冷却器的入口侧及出口侧的流路，在各自的入口侧及出口侧的流路上设置开闭阀，设置工作气体的移动单元，关闭冷却器入口侧及出口侧的开闭阀来密封冷却器，打开加热器入口侧及出口侧的开闭阀来使气室的工作气体通过加热器移动、循环，从而加热气室内的工作气体，另外，关闭加热器入口侧及出口侧的开闭阀来密封加热器，另一方面，打开冷却器入口侧及出口侧的开闭阀来使气室内的工作气体通过冷却器移动、循环，从而冷却气室内的工作气体，通过使气室内的工作气体膨胀、收缩来驱动作用体，并且其特征为，可以实现以下外燃式闭式循环热机，其加热器或者冷却器的容积与发动机的效率无关，并可以在各种条件下设计、制造。

技术方案2的发明为，根据技术方案1所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，所述开闭阀为三通阀。三通阀定义为如下切换阀，流路具有3个分支，使从1个分支流入的流体选择另外2个分支流路的任意一个作为流路，或者选择2个分支流路的任意一个，使另外1个分支作为流路。

技术方案3的发明为，根据技术方案1所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，从所述气室通向加热器入口侧流路以及冷却器出口侧流路通向所述气室的开闭阀为止回阀。

技术方案4的发明为，根据技术方案1～3中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，所述作用体为活塞。该作用体为活塞时，将气室定义为气缸，将多个气室定义为多气缸。

技术方案5的发明为，根据技术方案1～3中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，所述作用体为往复流式汽轮。往复流式汽轮是即使工作气体的流动方向反转也在同一方向上产生旋转转矩的装置。

技术方案6的发明为，根据技术方案1～5中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，设置多个所述密封的气室及作用体，且共有加热器及冷却器。

技术方案7的发明为，根据技术方案1～4、6中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，共有分别设置于所述密封的多个气室（多气缸）的活塞的曲轴箱。

技术方案8的发明为，根据技术方案1～4、6～7中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，设置有以下流路：将加热器的入口侧及出口侧向用活塞将所述气室隔成的A室与B室分别导通的流路；及将冷却器的入口侧及出口侧向用活塞将所述气室隔成的A室与B室分别导通的流路。

技术方案9的发明为，根据技术方案1～3、5～6中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，设置有以下流路：将加热器的入口侧及出口侧向用1个或者多个往复流式汽轮将所述气室隔成的各室分别导通的流路；及将冷却器的入口侧及出口侧向用1个或者多个往复流式汽轮将所述气室隔成的各室分别导通的流路。

本发明的外燃式闭式循环热机在气室加热时，因为冷却器通过开闭阀而被密封，所以冷却器内的工作气体没有被加压，保持低温·低压，在气室冷却时，因为加热器通过开闭阀而被密封，所以加热器内的工作气体没有被减压，保持高温·高压，温度·压力的变化只发生在气室内的工作气体上，因此与加热器、冷却器的大小无关，不会产生以往所产生的用于对加热器、冷却器内的工作气体进行加压、减压而产生的无益的能量消耗。因此，加热、冷却的效率得到提高，可以得到比以往的斯特林发动机更高的发动机效率。而且，通过切换开闭阀，可以使气室内的温度·压力急剧地变化，可以增加发动机的输出。

气室加热时，因为冷却器通过开闭阀而被密封，所以可以有效地持续冷却冷却器内的工作气体，气室冷却时，因为加热器通过开闭阀而被密封，所以可以有效地持续加热加热器内的工作气体，可以在整个期间有效地使加热器、冷却器内起到作用，同时可以提高热源、冷热源的利用效率。

如上所述，由于包含流路的加热器、冷却器的容积变得不再影响效率，因此可以将加热器、冷却器与发动机本体之间的流路加长，可以将加热器、冷却器离开发动机本体而设置，因此在机器配置上也可产生自由度，也可以有效地利用难以设置发动机本体的场所的现有废热源等。

另外，由于可以将加热器、冷却器增大，因此传热面积可以变大，即使温度差小也能够得到足够的传热量，还可以有效地利用废热等的低温热源，同时加热器的设计条件变宽，关于加热器的材料、结构、制作等，可以按使用目的进行最适宜的选择。

没有必要使用稀少的氦气作为工作气体，工作气体是氮气、空气等即可。另外，通过使用二氧化碳、氙气等重比重的气体可以使往复流式汽轮小型化。

而且，由于不使用置换器，因此可以在气室内设置绝热材料，由于可以降低通过气室外围的热流失，因此可以提高热效率，由于还可以将气室外围保持于低温状态，因此不再需要使用昂贵的耐热合金。

如果使开闭阀为三通阀的形式，且分别设置在加热器、冷却器各自的入口侧、出口侧，则可以将通向气室的流路从4根减少至2根，从而可以使结构变得简单。

而且，在开闭阀中，如果使加热器入口侧的阀与冷却器出口侧的阀为根据压力变化而自动工作的止回阀，那么就不再需要人为操作，可以将控制简化。

根据本发明，可以提供作为作用体采用了活塞或者往复流式汽轮的外燃式闭式循环热机。

而且，在本发明中，由于整个循环中加热器内的工作气体保持高温·高压，且冷却器内的工作气体保持低温·低压，因此设置多个密封的气室及作用体来构成多气缸时，可以设置大型的加热器及冷却器来由多个气缸共有。因此，与以往的每个气缸各需要1个加热器、冷却器的多气缸斯特林发动机相比，可以大幅度地简化加热器及冷却器的结构。

在本发明中，其为具有多个密封的气室、将活塞作为作用体而使用的多气缸的外燃式闭式循环式热机时，通过共有曲轴箱，并使每个气缸活塞按总和为360°的等相位差工作，可以使共有的曲轴箱及气缸室内活塞下的总容积以及压力一定，由于作用在活塞背面侧的力不变动，所以可以使活塞的动作顺利进行。

也可以配置为星形、水平对置型、V字型等。

分别设置以下流路：将加热器的入口侧及出口侧向用活塞将气缸隔成的A室与B室导通的流路；及将冷却器的入口侧及出口侧向用活塞将气缸隔成的A室与B室导通的流路，当通过开闭阀的操作使A室为高温·高压时使B室为低温·低压，且相反使A室为低温·低压时使B室为高温·高压时，则可以使施加于活塞的压力差增加，可以以小型实现高输出。

分别设置以下流路：将加热器的入口侧及出口侧向用1个或者多个往复流式汽轮将气缸隔成的各室导通的流路；及将冷却器的入口侧及出口侧向用1个或者多个往复流式汽轮将气缸隔成的各室导通的流路，当通过开闭阀的操作使邻接的各室的加热、冷却过程成为相反的状态时，则可以在往复流式汽轮数量增加的同时使施加于各往复流式汽轮的压力差增加，可以以小型实现高输出。

附图说明

图1是表示本发明的外燃式闭式循环热机的实施例的示意剖视图。

图2是表示本发明的外燃式闭式循环热机的其他实施例的示意剖视图。

图3是表示本发明的外燃式闭式循环热机的其他实施例的要部侧面剖视图。

图4是表示本发明的外燃式闭式循环热机的其他实施例的示意剖视图。

图5是表示本发明的外燃式闭式循环热机的其他实施例的示意俯视图。

图6是图5的多个配置的气室（1）～（4）部的示意剖视图。

图7是表示本发明的外燃式闭式循环热机的其他实施例的要部剖视图。

图8是表示本发明的外燃式闭式循环热机的其他实施例的要部剖视图。

符号说明

100-外燃式闭式循环热机；101-气室；110-隔板；111-汽缸；112-动力活塞；113-曲柄；114-旋转轴；115-飞轮；116-曲轴箱；120-风扇；121-驱动轴；130-腔室；140-加热器；141-热气入口侧流路；142-热气出口侧流路；143、144、153、154-开闭阀；145、155-止回阀；150-冷却器；151-冷气入口侧流路；152-冷气出口侧流路；200-外燃式闭式循环热机；210-往复流式汽轮；211-驱动轴；212-耐压贯通部；220-发电机；300-外燃式闭式循环热机；310-开口；311-流路；320、321-三通阀；330-开口；331-流路；400-外燃式闭式循环热机；410、420-加热器集管；430、440-冷却器集管；450、460-风扇；421、461-流路；470-曲轴箱；500-外燃式闭式循环热机；600-外燃式闭式循环热机。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图1是表示本发明的外燃式闭式循环热机100的实施例的示意剖视图。

该图中，在气室101的下部设置有隔板110及汽缸111，在该汽缸111内侧设置有活塞112。113由曲柄、114由旋转轴、115由飞轮构成。曲柄113、旋转轴114、飞轮115被安装在密封的曲轴箱116内。这些是以往公知的，因此不提及有关详细内容。在气室101的上端设置有风扇120，在该风扇120的下游形成有腔室130。驱动风扇120的电动机（未图示）设置在气室101上部，该风扇120固定设置在驱动轴121上。140是加热器，一端通过热气入口侧流路141与腔室130导通，另一端通过热气出口侧流路142与气室的下部导通。150是冷却器，一端通过冷气入口侧流路151与腔室130导通，另一端通过冷气出口侧流路152与气室101的下部导通。143是设置在热气入口侧流路141的开闭阀，144是设置在热气出口侧流路142的开闭阀，153是设置在冷气入口侧流路151的开闭阀，154是设置在冷气出口侧流路152的开闭阀。

图1中用实线表示的开闭阀143、144、153、154的位置为加热过程，用虚线表示的位置为冷却过程。

上述作用如下，首先通过风扇120使气室内的氮气等的工作气体产生箭头方向的气流，并送入腔室130，因为开闭阀143、144被控制为打开、开闭阀153、154被控制为关闭，所以工作气体流如箭头所示被导向热气入口侧流路141，经过加热器140从热气出口侧流路142如箭头所示流入气室下部，因此气室内的工作气体被加热形成高温·高压并进行膨胀，将活塞112压向下方，通过曲柄113使旋转轴114旋转。该气室处在加热过程时，在开闭阀153、154被关闭的状态下，冷却器150内的工作气体被持续冷却。其次，如果使热气出口侧流路142的开闭阀144与热气入口侧流路141的开闭阀143处在用虚线表示的关闭位置，使冷气出口侧流路152的开闭阀154与冷气入口侧流路151的开闭阀153处在用虚线表示的打开位置，那么气室内的高温·高压的工作气体会流入冷却器150内，气室内的压力会急剧降低。在冷却器150内与气室内的压力变成大致均衡的时候，工作气体在气室、风扇120、冷气入口侧流路151、冷却器150、冷气出口侧流路152、气室进行循环，因为气室内的工作气体被冷却·减压进行收缩，所以活塞112因曲轴箱116内的气体压力而被向上压，（因为气室内呈高压状态，所以即使在冷却时压力也远高于大气压）通过曲柄113使旋转轴114旋转。该气室处在冷却过程时，在开闭阀143、144被关闭的状态下，加热器140内的工作气体被持续加热。因此，气室在加热过程开始时，可以使冷却过程结束后的低温·低压的气室的温度通过开闭阀143、144、153、154的切换而急剧上升。这样，通过反复进行开闭阀143、144、153、154的开闭切换，气室内的工作气体被反复加热·冷却、加压·减压。

与以往的斯特林发动机的加热器、冷却器在一部分期间工作相比，由于加热器140及冷却器150如上所述在整个期间有效地工作，从而性能得到提高。而且，用于加热的热量、用于冷却的制冷量在整个期间被有效地利用，而不像以往的斯特林发动机那样浪费一部分热量、制冷量，所以系统的热效率得到提高。

图2是表示本发明的外燃式闭式循环热机200的其他实施例的示意剖视图。

该图中，对于与图1共同的结构部件标注相同的符号，省略详细说明。气室101为，在隔板110上设置有往复流式汽轮210，从而被分割为气室A与气室B。在往复流式汽轮210上设置有驱动轴211，其穿过设置在气室101下部壁的耐压贯通部212，与设置在气室101下部的外部的发电机220连接。

上述作用虽然与图1大致相同，但对其不同点进行说明。通过加热过程的工作气体如箭头所示流入气室A下部，从而气室A内的工作气体被加热形成高温·高压并进行膨胀，经过往复流式汽轮210流入气室B，使往复流式汽轮210旋转，通过旋转轴211驱动发电机220进行发电。其次，通过冷却过程的工作气体流入气室A下部，从而气室A内的高温·高压的工作气体流入冷却器150内，使气室A内的压力急剧降低，因为气室A内的工作气体收缩，所以从气室B内经过往复流式汽轮210向气室A逆流，使往复流式汽轮210在与前过程相同的方向上旋转，通过旋转轴211驱动发电机220进行发电。虽然使发电机220运转可以得到作为电力的动力，但是也可以直接传出作为旋转转矩的动力。虽然产生的工作气体的气流方向如图所示在加热过程与冷却过程中为相反方向，但是往复流式汽轮210产生相同方向的旋转转矩。

图3是表示本发明的外燃式闭式循环热机100、200的其他实施例的外燃式闭式循环热机300的要部侧面剖视图。对于与图1、2共同的部分标注相同的符号。

该图中，在气室101上部的腔室130上设置有1个开口310，与流路311导通，用设置在流路311终端的三通阀320进行分支，向热气入口侧流路141或者冷气入口侧流路151进行选择性导通。加热器140的热气出口侧流路142或者冷却器150的冷气出口侧流路152通过三通阀321而被选择性地与流路331导通，该流路331与设置在气室101下部的开口330导通。也可以较短地形成流路311与331或者不设置，将三通阀320与321设置在开口310部与330部。

以上是使图1与图2中说明的开闭阀143与153为一个三通阀320、且使开闭阀144与154为一个三通阀321的情况。

图3中用实线表示的三通阀320与321处于加热过程的状态，虚线表示处于冷却过程的状态，通过反复进行切换，气室内的工作气体被反复加热、冷却、加压、减压。其作用与图1和图2相同因此省略说明。

图4是表示本发明的外燃式闭式循环热机100的其他实施例的示意剖视图。

该图中，145与155为止回阀，是使设置在图1与图2的热气入口侧流路141的开闭阀143为止回阀145、使设置在冷气出口侧流路152的开闭阀154为止回阀155的实施例。

处在加热过程时，在气室内的压力与加热器140内的压力大致相等的时侯，止回阀145由于风扇120的压力而自动打开。此时，因为气室为高压状态，所以工作气体不会从设置在冷气出口侧流路152的止回阀155进入冷却器150。处在冷却过程时，在气室内的压力与冷却器150内的压力大致相等的时侯，止回阀155由于风扇120的压力而自动打开。此时，因为气室为低压状态，所以工作气体不会从设置在热气入口侧流路141的止回阀145进入加热器140。

通过形成为上述结构，可以简化外燃式闭式循环热机的控制与结构。

图5是表示本发明的外燃式闭式循环热机400的其他实施例的示意俯视图。

该图中，排列多个气室（1）～（4）形成多气缸，导通每个气室（气缸）的热气入口侧流路141与热气出口侧流路142共有一个加热器140，导通每个气室的冷气入口侧流路151与冷气出口侧流路152共有一个冷却器150。410为加热器集管，将导通每个气室（气缸）的热气入口侧流路141分支，420为加热器集管，使导通每个气室（气缸）的热气出口侧流路142集中。430为冷却器集管，将导通每个气室（气缸）的冷气入口侧流路151分支，440为冷却器集管，使导通每个气室（气缸）的冷气出口侧流路152集中。450为设置在加热器140与加热器集管420之间的流路421上的风扇，460为设置在冷却器150与冷却器集管440之间的流路461上的风扇。

因为加热器140经常保持着高温·高压，冷却器150经常保持着低温·低压，所以如果以使一半气室（气缸）为冷却过程且使另一半气室（气缸）为加热过程的方式切换开闭阀143、144、153、154，则可以得到在图1中详细说明的作用。

图6是在图5中多个配置的气室（1）～（4）部的剖视图。

该图中，在气室（1）～（4）中分别设置的曲轴箱116是导通的，形成一个曲轴箱470。连接各曲柄113的旋转轴114共有中心轴。如该图所示，活塞112以每个气缸活塞按总和为360°的等相位差工作，并进行如下动作，包含气室（气缸）的活塞下部容积的曲轴箱470的空间容积为一定。

图7是表示本发明的外燃式闭式循环热机500的其他实施例的要部剖视图。

该图中，用活塞112将气室101隔成气室A与气室B，在各气室分别设置有开口310与330，通过三通阀320、321而与热气入口侧流路141、热气出口侧流路142、冷气入口侧流路151、冷气出口侧流路152导通，而且与加热器集管410、420、冷却器集管430、440导通，构成与加热器140、冷却器150导通的工作气体的闭式循环回路。风扇450设置在加热器集管420的端部，使高温·高压的工作气体经常循环，风扇460设置在冷却器集管440的端部，使低温·低压的工作气体经常循环。

图7中用实线表示的三通阀321、320表示气室A处于冷却过程、气室B处于加热过程，气室A与B之间的活塞112因为气室A收缩、气室B膨胀，所以朝箭头方向作用，将三通阀321、320切换到虚线的位置时则朝箭头反方向作用，通过连接于活塞112的曲柄113部使旋转轴114旋转，从而得到高输出的动力。

图8是表示本发明的外燃式闭式循环热机600的其他实施例的要部剖视图。

该图中，将气室101用1个或者多个往复流式汽轮210隔开，在图中设置气室A、气室B、气室C，并采用与上述图7相同的工作气体流路构成。

图8中用实线表示的三通阀321、320表示气室A与C处于加热过程、气室B处于冷却过程，设置在气室之间的往复流式汽轮210因为气室A与C膨胀、气室B收缩，所以工作气体朝箭头方向移动，将三通阀321、320切换到虚线的位置时则朝箭头反方向作用，作用于往复流式汽轮210上，从而驱动轴211旋转，通过连接在该驱动轴211一端的发电机220得到高输出的动力。在气室B中，因为工作气体从气室A、C双方流入、流出，所以加热器、冷却器的气室容积被如下设计，对气室B的加热、冷却能力与对气室A、C的加热、冷却的合计能力相等。

Claims

1.一种外燃式闭式循环热机，其特征为，设置密封的气室与加热器及冷却器，设置导通该气室与该加热器的入口侧及出口侧的流路，设置导通该气室与冷却器的入口侧及出口侧的流路，在各自的入口侧及出口侧的流路上设置开闭阀，设置工作气体的移动单元，关闭冷却器入口侧及出口侧的开闭阀来密封冷却器，打开加热器入口侧及出口侧的开闭阀来使气室内的工作气体通过加热器移动、循环，从而加热气室内的工作气体，另外，关闭加热器入口侧及出口侧的开闭阀来密封加热器，另一方面，打开冷却器入口侧及出口侧的开闭阀来使气室内的工作气体通过冷却器移动、循环，从而冷却气室内的工作气体，通过使气室内的工作气体膨胀、收缩来驱动作用体。

2.根据权利要求1所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，所述开闭阀为三通阀。

3.根据权利要求1所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，从所述气室通向加热器入口侧流路以及冷却器出口侧流路通向所述气室的开闭阀为止回阀。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，所述作用体为活塞。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，所述作用体为往复流式汽轮。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，设置多个所述密封的气室及作用体，且共有加热器及冷却器。

7.根据权利要求1～4、6中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，共有分别设置于所述密封的多个气室的活塞的曲轴箱。

8.根据权利要求1～4、6～7中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，设置有以下流路：将加热器的入口侧及出口侧向用活塞将所述气室隔成的A室与B室分别导通的流路；及将冷却器的入口侧及出口侧向用活塞将所述气室隔成的A室与B室分别导通的流路。

9.根据权利要求1～3、5～6中任意一项所述的外燃式闭式循环热机，其特征为，设置有以下流路：将加热器的入口侧及出口侧向用1个或者多个往复流式汽轮将所述气室隔成的各室分别导通的流路；及将冷却器的入口侧及出口侧向用1个或者多个往复流式汽轮将所述气室隔成的各室分别导通的流路。